Cement Concrete Comp. ：功能化六方氮化硼納米片用于先進(jìn)水泥基納米復(fù)合材料

Functionalized hexagonal boron nitride nanoplatelets for advanced cementitious  nanocomposites

功能化六方氮化硼納米片用于先進(jìn)水泥基納米復(fù)合材料

六方氮化硼；剝離；表面功能化；層數(shù)；彈性模量

出版年份：2023年

來源：Cement and Concrete Composites

課題組：美國德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校Maria S. Konsta-Gdoutos課題組

六方氮化硼（hBN）是石墨烯的一種介電異構(gòu)體，由于其獨(dú)特的高固有導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性、電絕緣性能和非凡的力學(xué)性能而引起了廣泛關(guān)注。球磨、插層氧化、化學(xué)氣相沉積、液體剝離等各種物理和化學(xué)方法已被用于剝離hBN納米片。其中，氫氧化鈉輔助球磨法可有效地功能化hBN納米片，而不會(huì)明顯破壞其晶體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，化學(xué)功能化可進(jìn)一步增強(qiáng)少層hBN納米片的協(xié)同優(yōu)勢。已有文獻(xiàn)報(bào)告了在水泥基材料中摻入hBN納米片以提高其低抗壓強(qiáng)度和韌性。最新研究表明，超聲處理可提高懸浮液中hBN納米片剝離狀態(tài)和膠體穩(wěn)定性。這對hBN改性水泥基材料的力學(xué)性能至關(guān)重要。

已有研究表明，使用表面活性劑有助于保持hBN懸浮液膠體穩(wěn)定性。然而，尚未有文獻(xiàn)研究超聲和表面活性劑在保持hBN懸浮液膠體穩(wěn)定性方面的改善作用。

本文采用兩步法（球磨和超聲處理）對hBN納米片進(jìn)行協(xié)同功能化和剝離，從而制備出功能化hBN納米片：通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）計(jì)算羥基（IOH）與硼氮鍵（IB-N）強(qiáng)度比來定量評估功能化程度；使用原子力顯微鏡（AFM）、拉曼（Raman）分析和Zeta電位確定剝離后hBN納米片的層數(shù)、厚度、橫向尺寸和電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)速率。在此基礎(chǔ)上，確定hBN功能化和剝離程度對水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度和斷裂能的影響。

圖2 （a）hBN-U和hBN-U_SFC以及（b）塊狀六方氮化硼經(jīng)球磨和超聲處理（hBN-BM-U）和塊狀六方氮化硼經(jīng)球磨和使用表面活性劑超聲處理（hBN-BM-U_SFC）懸浮液的絕對Zeta電位隨超聲能量的變化關(guān)系

圖3 （a）hBN-AR和（b）球磨六方氮化硼（hBN-BM）懸浮液的絕對Zeta電位隨時(shí)間變化

圖4 普通和hBN-AR、hBN-BM、hBN-U、hBN-BM-U改性水泥納米復(fù)合材料的熱流和累計(jì)放熱曲線

圖5 含0.18?vol% hBN的水泥砂漿在28 d的斷裂能

圖6 hBN-BM-U_SFC改性水泥納米復(fù)合材料斷裂面的SEM

利用球磨和超聲相結(jié)合方法，從塊狀六方氮化硼（hBN-AR）成功剝離制備出功能化良好的hBN納米片，并通過一系列光譜和顯微實(shí)驗(yàn)對hBN懸浮液穩(wěn)定性、剝離質(zhì)量和功能化程度進(jìn)行評估。在此基礎(chǔ)上，確定hBN功能化和剝離程度對水泥基納米復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度和斷裂能的影響。本文主要結(jié)論如下：

（1）FTIR光譜和Zeta電位表明，通過球磨和超聲對hBN進(jìn)行功能化，特別是使用膠凝材料表面活性劑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生羥基（-OH）和羧基（-COOH），增加hBN的親水性和空間/靜電斥力，從而增強(qiáng)其懸浮液的穩(wěn)定性；AFM證明剝離和功能化后hBN納米片厚度減小；Raman光譜確定的hBN層數(shù)與AFM結(jié)果完全一致；

（2）由于表面積大和-OH/-COOH表面功能化，剝離后hBN可更顯著提升水泥基納米復(fù)合材料的力學(xué)性能；表面官能團(tuán)-OH/-COOH與C-S-H中的Ca²⁺發(fā)生共價(jià)反應(yīng)，在hBN納米片和C-S-H間界面上建立起牢固結(jié)合，提高了從水泥基質(zhì)到hBN納米片的載荷傳遞效率，從而提高了hBN改性砂漿的承載能力：抗折強(qiáng)度提高50%、抗壓強(qiáng)度提高17%、楊氏模量提高56%、斷裂能提高76%。

由于hBN厚度小，且-OH/-COOH官能團(tuán)增強(qiáng)了其與水泥基體間界面相互作用，賦予hBN水泥基納米復(fù)合材料特殊性能，使該復(fù)合材料有望成為多功能應(yīng)用的理想候選者。后續(xù)將進(jìn)一步評估高度功能化三層hBN水泥基納米復(fù)合材料的性能，為其在能源相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟新道路。